Quantum – et tveægget sværd til kryptografi

Kvantecomputere udgør en stor trussel mod sikkerheden i moderne kommunikation, at dechifrere kryptografiske koder, der ville tage almindelige computere for evigt at knække. Men at trække på egenskaberne ved kvanteadfærd kunne også give en vej til virkelig sikker kryptografi.

Forsvar, finansiere, sociale netværk – kommunikation overalt er afhængig af kryptografisk sikkerhed. Kryptografi involverer at blande beskeder sammen i henhold til en kode, eller nøgle, der har for mange kombinationer til, at selv meget kraftfulde computere kan prøves.

Men kvantecomputere har en fordel. I modsætning til almindelige computere, som behandler information i 'bits' af bestemte enere og nuller, kvantecomputere behandler information i 'qubits, ", hvis tilstande forbliver usikre indtil den endelige beregning.

Resultatet er, at en kvantecomputer effektivt kan prøve mange forskellige nøgler parallelt. Kryptografi, der ville være uigennemtrængeligt for almindelige computere, kunne tage en kvantecomputer kun få sekunder at knække.

Praktiske kvantecomputere, der kan bruges til at bryde kryptering, forventes at være år, hvis ikke årtier, væk. Men det burde ikke være til nogen tryghed:selv hvis en hacker ikke kan tyde fortrolige oplysninger nu, de kunne gemme det og blot vente, indtil en kvantecomputer er tilgængelig.

"Problemet eksisterer allerede, " sagde professor Valerio Pruneri fra Institute of Photonic Sciences i Barcelona, Spanien, og koordinator for et kvantesikkerhedsprojekt kaldet CiViQ. "En hacker kan tage det, der er gemt nu, og knække dens nøgle på et senere tidspunkt."

Svaret, siger prof. Pruneri, er en anden kvanteteknologi. Kendt som kvantenøglefordeling (QKD), det er et sæt regler for kryptering af information – kendt som en kryptografiprotokol – som er næsten umulig at knække, selv af kvantecomputere.

Aflytning

QKD involverer to parter, der deler en tilfældig kvantenøgle, hvorefter nogle separate oplysninger er kodet. For i kvanteteorien er det umuligt at observere noget uden at ødelægge det, de to parter vil vide, om en anden har afluret nøglen – og derfor om den er sikker, eller ikke, at dele deres kodede oplysninger.

Indtil nu, QKD har normalt involveret specialistteknologi, såsom enkelt-foton detektorer og emittere, som er vanskelige for folk uden for laboratorier at implementere. I CiViQ-projektet, imidlertid, Prof. Pruneri og hans team er ved at udvikle en variant af QKD, der arbejder med konventionel telekommunikationsteknologi.

De har allerede lavet prototyper, og udførte nogle feltdemonstrationer. Nu, forskerne arbejder med industriens telekomkunder, herunder Telefónica i Spanien, Orange i Frankrig og Deutsche Telekom i Tyskland for at skabe systemer, der fungerer efter deres respektive krav, med håb om, at de første systemer kunne være online inden for tre år.

Prof. Pruneris håb er at skabe yderst sikre kommunikationssystemer på op til 100 km i størrelse, der egner sig til statslige, finansiere, medicinske og andre højrisikosektorer i byer. Det kunne endda bruges af daglige forbrugere, selvom prof. Pruneri siger, at QKD i øjeblikket når kortere distancer og lavere hastighed end almindelig kommunikation.

Tilfældig

Ligesom normal kryptografi, QKD har brug for tilfældige nøgler - rækker af tal - for at blive genereret i første omgang. Jo mere tilfældige disse nøgler er, jo større sikkerhed er systemet, da der er mindre chance for, at nøglerne bliver gættet. Men problemet er, at de tal, der genereres med traditionelle metoder, ofte ikke er helt tilfældige.

Her, kvantemekanikken kan igen komme til undsætning. Atomernes opførsel, fotoner og elektroner menes at være virkelig tilfældige, og dette kan bruges som en måde at generere tal, der ikke kan forudsiges.

Professor Hugo Zbinden fra universitetet i Genève i Schweiz sagde:"Kvantetilfældige talgeneratorer drager fordel af kvantefysikkens iboende tilfældighed, der henviser til, at klassiske generatorer af ægte tilfældige tal er baseret på kaotiske systemer, som er deterministiske og i teorien, til en vis grad forudsigelig."

Kvante tilfældige tal generatorer findes allerede, men for at gøre dem mere anvendelige forbedrer prof. Zbinden og hans kolleger, der arbejder på et projekt kaldet QRANGE, deres hastighed og pålidelighed, samt reducere deres omkostninger. I øjeblikket, de forsøger at udvikle prototyper med et 'højteknologisk parathedsniveau' – med andre ord, prototyper, der demonstrerer, at teknologien er moden til brug i den virkelige verden.

Arbejdet er et vigtigt skridt for at sikre, at samtidig med at det er en trussel mod sikkerheden i vores nuværende kommunikation, kvantetilgange giver også en vej til mere sikre systemer.

Kvantecomputere truer klassisk kryptografi, " siger prof. Zbinden. "Kvantekryptografi kan være en løsning, (men) den har brug for tilfældige tal af høj kvalitet."